El uranio es el elemento primordial más pesado de la naturaleza y, hasta la fecha, el único metal de combustible nuclear desplegado a gran escala comercial. Su uso central es como combustible de centrales nucleares: alrededor del 0,7 % del uranio natural es uranio-235 fisionable, que se enriquece por centrifugación gaseosa hasta aproximadamente un 3 %–5 %, se fabrica en pastillas de dióxido de uranio y se carga en conjuntos combustibles que generan electricidad de base baja en carbono en cientos de reactores de todo el mundo, suministrando una parte sustancial de la red. En el ámbito militar, el uranio-235 o el plutonio-239 producido en reactores es el material central de las armas nucleares, un uso que impulsó la construcción de industrias a gran escala de enriquecimiento de uranio y reprocesamiento durante la Guerra Fría. El «uranio empobrecido» que queda tras el enriquecimiento (con una abundancia de uranio-235 inferior a la del uranio natural) sigue siendo radiactivo, pero su densidad muy alta y sus buenas propiedades mecánicas lo han hecho útil como lastre para aviones y helicópteros, como lastre de barcos, como material de blindaje en equipos de radioterapia y como núcleos penetrantes en munición perforante de tanques; este último uso es controvertido y está restringido en varios países. El uranio tiene también un uso histórico no nuclear: pequeñas cantidades de óxido de uranio añadidas a la masa vítrea producen el «vidrio de uranio», que fluoresce en verde amarillento y fue ampliamente utilizado desde el siglo XIX hasta principios del XX en objetos de vidrio decorativos, vasijas y vajilla. La producción cesó hace mucho tiempo, y tales piezas forman ahora una categoría especializada en el mercado de coleccionistas.
El dióxido de uranio (UO2) es la forma principal de las pastillas de combustible nuclear y, tras la sinterización, sirve durante largos periodos en los núcleos de los reactores. El octóxido de triuranio (U3O8) es la forma de óxido más común en los minerales de uranio naturales (pechblenda) y es el componente principal del «pastel amarillo» (yellowcake), el producto al que se convierten los concentrados de mineral de uranio antes de su transporte y comercialización. El hexafluoruro de uranio (UF6) sublima solo a unos 56 °C y es el único compuesto de uranio convenientemente gaseoso empleado en el enriquecimiento por centrifugación gaseosa; el UF6 enriquecido se convierte luego de nuevo en combustible de dióxido de uranio. El nitrato de uranilo (UO2(NO3)2) es el producto clave de los esquemas de extracción en la molienda del mineral de uranio y el procesamiento del frente del ciclo del combustible: el uranio se extrae y purifica del licor de lixiviación como nitrato de uranilo y luego se convierte ulteriormente en óxidos. Otros compuestos del uranio se utilizaron históricamente como colorantes en vidrio y cerámica, pero hoy han desaparecido en gran medida del consumo.
